柔性无源压力传感器及其制备方法和应用

本发明涉及无源压力传感器，尤其涉及一种柔性无源压力传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、近年来，柔性无线无源lc压力传感器受到了广泛的关注。lc谐振式传感器主要是由电感和电容串联组成的谐振电路，谐振电路的谐振频率可由公式给出。当传感器受到压力作用时，会引起电感和电容等相关尺寸参数的变化，进而引起电感值l和电容值c的变化，导致谐振频率发生偏移，而频率的偏移可用外部的测量元器件通过互感耦合线圈、天线或无线矢量网络分析仪等方式进行非接触测量，从而实现无源无线检测。因此，无源lc压力传感器不需要电源或刚性芯片，还具有体积小、寿命长两大优点，在植入式传感器和可穿戴设备等技术领域中具备一定的应用优势。

2、公开号为cn111060230a的发明专利提供了一种基于lc谐振的无线无源柔性压力传感器的制作方法，其包括如下步骤：s1、将平面螺旋电感与平面叉指电容组成的lc谐振回路，印刷于柔性基底上；s2、与检测线圈耦合产生谐振频率；s3、施加于柔性基底上的压力变化时，引起柔性基底电容变化；s4、lc谐振回路的谐振频率变化，从而实现无线无源压力检测。

3、公开号为cn111380632a的发明专利提供了一种基于双层非对称式lc谐振的无线无源柔性压力传感器，柔性基底两侧分别印制有lc谐振回路，并且为非对称结构，两侧平面螺旋电感分别采用顺时针由内向外旋绕方向以及逆时针由内向外旋绕方向。该发明采用双层非对称式lc谐振回路结构，可以优化基于lc谐振的无线无源传感器的检测距离以及灵敏度。采用聚二甲基硅氧烷(pdms)柔性衬底，可以满足可穿戴器件、电子皮肤、医疗检测等方面的应用。

4、但是，上述传感器均是以聚二甲基硅氧烷(pdms)为柔性衬底，采用丝网印刷工艺将lc谐振电路印制于pdms上，通过按压使pdms发生形变从而改变电容(c)，最终引起谐振频率的偏移。其存在如下技术缺陷1)pdms虽然具备较好的柔性，但是致密不透气，可穿戴性不好；2)pdms柔性层的厚度较薄，受力情况下发生压缩变形的程度有限，由此引起的电容值改变不大。因而在微弱压力作用时(比如指尖的轻触)，很难检测到谐振频率的偏移，灵敏度较差。

5、公开号为cn115420405a的发明专利提供了一种lc无源无线压力传感器及制备方法。该制备方法包括：在模具的放置腔内放入磁体，利用所述磁体产生的磁场力改变所述铁磁性纳米粒子的分布，并在预设的加热功率和加热温度下对所述模具进行加热至复合电介质完全固化，得到所述复合电介质。图形化导电基底，获得电容电极和电感；将所述电容电极和电感固定于塑封膜，并至少在所述电容电极背离所述塑封膜的一侧设置绝缘层；将固定好的所述电容电极和电感分别固定于所述复合电介质沿其厚度方向的两个表面，并在真空环境下进行加热密封，得到所述lc无源无线压力传感器。但是，该传感器存在制备工艺复杂、灵敏度不佳、响应范围较窄、柔性不足等技术问题。

6、公开号为cn113049148a的发明专利提供了一种仿生纤毛结构的多信息柔性触觉传感器及其制备方法，传感器包括相互结合作用的纤毛阵列传感单元和压电薄膜传感单元，纤毛阵列传感单元包括12个以矩形阵列形式置于公共基质层上的纤毛传感器，纤毛传感器包括从内至外同轴设置的内电极、压电传感层、屏蔽层以及护套保护层；压电薄膜传感单元从上至下为上电极层、压电薄膜层、凸点层、下电极层和保护层；外置多通道信号调理电路，对于纤毛传感器和压电薄膜传感器输出信号进行预处理，经过模数转换后对数字信号进行深度分析，实现对物体表面特性信息的检测功能。该传感器虽然具备仿生纤毛结构，但纤毛的受力需要传递给下层的压电传感层，而压电传感层通常压缩弹性不足，因而无法实现微弱压力的传递。总之，该传感器为基于压电效应的有源压力传感器，存在结构复杂，制备技术难度大，无法大规模量产的不足。

7、为解决上述问题，从提高传感器的灵敏度和可穿戴性出发，本专利提出了一种新的的柔性无源压力传感器及其制备方法和应用。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种柔性无源压力传感器及其制备方法和应用。

2、为实现上述发明目的，本发明提供了一种柔性无源压力传感器，其包括对微弱机械变形具有灵敏响应能力的磁性纤毛阵列膜材料以及一体化设置于其下方且对磁通量变化具有灵敏响应的柔性lc谐振电路；

3、所述柔性lc谐振电路由柔性织物衬底和负载于所述柔性织物衬底上的lc谐振电路两者相互复合组成；

4、所述磁性纤毛阵列膜材料由具备预定磁性强度的弹性纤毛以预定阵列形式共置于柔性基层上；

5、所述柔性无源压力传感器的灵敏度在0-0.125kpa时达到-7.06mhz/kpa及以上；在0.125-5kpa时达到-0.19mhz/kpa及以上；

6、所述柔性无源压力传感器能够与信号读取电路进行有线通信，或者，通过外部互感耦合线圈、谐振天线或无线矢量网络分析仪等设备实现远程无线询问。

7、所述磁性纤毛受到外力作用时发生形变，引起磁通量的变化，进而引发所述柔性lc谐振电路中电感的改变，导致所述柔性无源压力传感器的谐振频率发生偏移。

8、作为本发明的进一步改进，所述弹性纤毛由永磁性微纳米颗粒或永磁性纳米纤维和柔性硅橡胶相互复合而成；

9、所述弹性纤毛的磁性强度为10～5000gs；

10、所述弹性纤毛为圆柱结构、圆锥结构、仿生纤毛结构中的一种或者多种混合。

11、作为本发明的进一步改进，所述弹性纤毛的直径为0.01～1mm，长度为0.2～5mm，弯曲模量为1～5mpa；

12、所述弹性纤毛的阵列形式为矩形阵列、环形阵列、不规则形状阵列中的一种。

13、作为本发明的进一步改进，所述柔性基层为化学纤维织物、天然纤维织物中的一种或者两者混合；

14、所述永磁性微纳米颗粒为ndfeb钕铁硼微纳米磁粉、sr铁氧体微纳米磁粉、ba铁氧体微纳米磁粉中的一种或多种混合；

15、所述永磁性纳米纤维为各向异性fe微纳米磁性纤维、各向异性co微纳米磁性纤维、各向异性ni微纳米磁性纤维、sr铁氧体磁性纳米纤维、ba铁氧体磁性纳米纤维中的一种或多种混合；

16、所述柔性硅橡胶为pdms、ecoflex中的一种或两者混合。

17、作为本发明的进一步改进，所述lc谐振电路与所述柔性织物衬底通过导电浆料，基于丝网印刷工艺、喷墨直写工艺、气溶胶喷射印刷、涂覆工艺、手工或电脑绣花工艺，实现相互复合；

18、所述导电浆料为导电银浆料、导电铜浆料、导电碳浆料中的一种或多种复合。

19、所述电脑绣花工艺中，所用导电纱线为：导电金属涂覆的纤维长丝、导电金属细丝包缠的纤维长丝、导电金属细丝中的一种或多种复合。

20、作为本发明的进一步改进，所述电脑绣花所用导电纱线包括：1)铜、银、不锈钢、镍等导电金属涂覆的尼龙、涤纶、氨纶长丝的一种或多种复合；2)由铜、银、不锈钢、镍等导电金属细丝包缠的尼龙、涤纶、氨纶长丝的一种或多种复合；3)由铜、银、不锈钢、镍等导电金属细丝中的一种或多种复合。

21、作为本发明的进一步改进，所述柔性织物为化学纤维织物、天然纤维织物中的一种或者两者混合。

22、为实现上述发明目的，本发明还提供了上述柔性无源压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

23、s1，柔性lc谐振电路的制备：选用预定尺寸柔性织物作为衬底；其次，制作由平面螺旋线圈(l)或平面螺旋线圈(l)与平面叉指电容(c)串联或并联组成的lc谐振电路模具图案；接着，将lc谐振电路模具图案负载于柔性织物衬底上，干燥后得到柔性lc谐振电路；

24、所述步骤s1中的负载工艺为丝网印刷工艺、喷墨直写工艺、气溶胶喷射印刷、涂覆工艺、手工绣花工艺、电脑绣花工艺中的一种。

25、作为本发明的进一步改进，平面螺旋线圈包括：圆形螺旋线圈、方形螺旋线圈、矩形螺旋线圈、六角螺旋线圈、八角螺旋线圈等形状设计。螺旋线圈和叉指电容的具体参数由相关专业软件进行设计和计算。

26、作为本发明的进一步改进，手工或电脑绣花工艺：用刺绣软件或矢量图形软件创建一个数字化的刺绣设计文件，将设计文件输入刺绣机，采用上述导电丝线作为刺绣用线，机器将按照设计文件在织物上缝制出图案。

27、s2，磁性纤毛阵列膜材料的制备：制备阵列模具；然后将磁性悬浮液倒入阵列模具中，并将柔性基层置于阵列模具顶部；然后，真空干燥处理，使得所述柔性基层与固化后的弹性纤毛粘接为一体，脱模得到磁性纤毛阵列膜材料；

28、s3，组装：将磁化完成的磁性纤毛阵列膜材料垂直放置于柔性lc谐振电路之上，并将所述磁性纤毛阵列膜材料和所述柔性lc谐振电路两者的边缘进行柔性封装，使之成为一体化传感器，由此，得到所述柔性无源压力传感器。

29、作为本发明的进一步改进，所述阵列模具的阵列形式为：矩形阵列、环形阵列、不规则形状阵列中的一种；所述阵列模具的结构为：圆柱结构、圆锥结构、仿生纤毛结构中的一种或者多种混合。

30、作为本发明的进一步改进，所述磁性悬浮液由质量比为1：(1～3)的柔性硅橡胶与永磁性微纳米颗粒或永磁性纳米纤维相互混合而成。

31、为实现上述发明目的，本发明还提供了上述柔性无源压力传感器在可穿戴器件、电子皮肤、医疗检测、航空航天、人工智能触觉传感器、人机交互界面、健康监测等技术领域中的应用。

32、本发明的有益效果是：

33、1、本发明提供的柔性无源压力传感器，由柔性lc谐振电路与磁性纤毛阵列膜材料(简称磁性纤毛)两部分组成。当磁性纤毛受到外力作用时会发生形变，引起lc谐振电路中通过电感螺旋线圈的磁通量的变化，进而引发柔性lc谐振电路中电感的改变，导致柔性无源压力传感器的谐振频率发生偏移，使得该传感器具有出色的灵敏度(-7.06mhz/kpa)和优良的稳定性。相比于传统lc谐振电路传感器，其磁性纤毛结构的增设，能够作为交互的接口，在不损害lc电路本身的基础上，实现了对细微压力、气流的灵敏检测(通过频移实现)。由此，显著提升了传感器的灵敏度、拓宽了响应范围、增强了线性度。

34、2、本发明提供的柔性无源压力传感器，其与信号读取电路能够进行有线通信，但是在有线连接比较困难的情况下，能够通过外部互感耦合线圈、谐振天线或无线矢量网络分析仪等设备实现远程无线询问。

35、3、本发明提供的柔性无源压力传感器，将柔性lc谐振电路与磁性纤毛配合使用，有利于实现传感器的全柔性和微型化。而且，该具有偏置磁场和灵敏变形能力的磁性纤毛阵列与柔性lc谐振电路的设计结合，大大提高了无源压力传感器对微弱压力的检测能力和柔性可穿戴性，在人工智能触觉传感器、仿生电子皮肤、人机交互界面、健康监测、智慧医疗等众多技术领域具备应用前景。此外，该传感器具备小尺寸、低成本和柔软的特性，有利于该传感器大量地贴合于身体不同部位，如脖子、肩膀、手腕等，对这些部位的压力信号进行实时监测，极大拓宽了适用位置和适用条件。

36、4、本发明提供的柔性无源压力传感器，采用阵列形式和结构形态可控的磁性纤毛作为互交接口，阵列形式和纤毛结构形态能够进行合理调控，使其适用于不同应用环境和应用部位的传感功能。

37、5、本发明提供的柔性无源压力传感器的制备方法，其成本较低，且加工工艺简单，可以大批量制备，具备大规模推广应用的商业前景。